本申请公开了一种激光传输装置及离子阱系统。该激光传输装置应用于离子阱系统中，包括空间模斑变换器和衍射元件阵列，空间模斑变换器和衍射元件阵列在空间中位于不同的平面；空间模斑变换器用于将多路激光照射至衍射元件阵列；衍射元件阵列用于将多路激光分别独立照射至对应的离子，经过衍射元件后沿垂直于离子链方向出射的一列激光互不平行。在该方案中，由于衍射元件阵列不与空间模斑变换器共面，故其排布方式、数量不受空间模斑变换器限制，易扩展；且不共面设计使得光纤不必直接与芯片耦合，避免了芯片尺寸对光纤数量的限制；衍射元件阵列排布，有利于增加衍射元件的数值孔径，增加衍射元件的聚焦能力，输出高质量的聚焦小光斑，降低串扰。降低串扰。降低串扰。
【技术实现步骤摘要】
一种激光传输装置及离子阱系统
[0001]本申请涉及量子计算
，尤其涉及一种激光传输装置及离子阱系统。
技术介绍
[0002]随着信息技术的发展，量子计算越来越受关注。量子计算的特殊之处在于，量子态的叠加特性使得大规模“并行”计算成为可能。这是因为量子计算的基本原理是利用量子比特(即离子)对信息进行编码，其中，单个量子比特的状态不仅有0和1两种经典态，还可以有0和1的叠加态(如图1所示，量子比特可以处在一半几率在0态，一半几率在1态)，n个量子比特可以同时处于2
n
个量子态的叠加状态。各量子算法就是在不同数量的量子比特上进行不同的量子操作，量子比特数目越多，其并行加速能力就越强，对于相同问题其求解的速率就越快。
[0003]在量子计算机的物理实现方面，目前国际主流方案为采用离子阱系统或者超导系统。其中，采用离子阱系统进行量子计算的基本过程如下：加热的原子外层电子被电离后形成离子；在真空腔中，离子阱集成芯片产生的交变的射频电场和直流电场将离子囚禁成离子链；被冷却光冷却的离子与自离子阱集成芯片出射的操控光相互作用达到特定的量子态；通过对量子态的操控实现量子计算。
[0004]在多离子场景下，离子量子态的操控由互相独立的操控光打到不同的离子上实现。离子量子态的操控，由互相独立的聚焦激光(箭头)打到不同的离子上实现；量子态的探测装置由成像光路和CCD、PMT等对荧光读取实现。量子门操作，通过外围的时序控制单元控制操控激光的时长等完成。
[0005]然而，目前的离子阱系统受限于光学元件的尺寸、排布，难以实现小光斑聚焦，难以拓展离子长链的规模，从而影响量子计算机的计算能力。
技术实现思路
[0006]本申请实施例提供一种激光传输装置及离子阱系统，能够解决离子阱系统中离子数量不易拓展的问题。
[0007]第一方面，本申请实施例提供一种激光传输装置，该激光传输装置应用于离子阱系统中。具体的，该装置包括空间模斑变换器和衍射元件阵列，空间模斑变换器和衍射元件阵列在空间中位于不同的平面；空间模斑变换器用于将多路激光照射至所述衍射元件阵列；衍射元件阵列用于将多路激光分别独立照射至对应的离子，且所述多路激光中的部分激光，在经过衍射元件阵列中沿垂直于离子链方向的一列衍射元件后互不平行，经过衍射元件阵列后的每路激光对应离子链中的一个离子，上述离子链为包括多个离子的一维长链。
[0008]在传统的离子阱系统中，光纤直接与芯片耦合，波导和衍射元件均设置在芯片上，受到排布方式、芯片尺寸的限制，很难拓展光纤、衍射元件的数量。而在本申请上述方案中，首先将衍射元件排布成二维阵列样式，并将空间模斑变换器与衍射元件阵列置于与衍射元
件阵列不同的平面上，因此，若将衍射元件阵列仍置于芯片上，则空间模斑变换器位于芯片外部，从而能够大幅提升衍射元件的数量；此外，由于空间模斑变换器位于芯片外部，则用于提供激光光源的光纤不论直接是否直接与空间模斑变换器耦合，都使得光纤不必直接与芯片耦合，从而避免了芯片尺寸对光纤数量的限制；由于上述装置对光纤数量、衍射元件数量的限制大幅降低，从而能够实现更多数量的独立激光对离子链上的离子进行分别照射，进而能够增加离子阱系统中离子的数量，提高量子计算的计算能力。另一方面，衍射元件阵列排布，有利于增加衍射元件的数值孔径，增加衍射元件的聚焦能力，输出高质量的聚焦小光斑，降低串扰。
[0009]在一种可能的实现方式中，上述装置还包括准直器阵列，用于对光纤阵列提供的多路激光进行准直，准直器阵列位于光纤阵列与空间模斑变换器之间，使得经过准直后的多路激光能够照射至空间模斑变换器。对激光进行准直，有利于提高激光的聚焦效果。尤其是对于经过衍射元件后衍射角较大的激光，由于衍射角较大会降低光斑质量；对激光进行准直后，有利于改善照射至离子的光斑质量。
[0010]在一种可能的实现方式中，所述衍射元件是由介质材料加工制备出的多个微纳单元形成的超表面结构。超表面结构可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控，更加便于对照射到离子链的激光进行调控。
[0011]在一种可能的实现方式中，在所述衍射元件阵列中，沿平行于离子链方向的相邻两个衍射元件，存在共用的微纳单元。沿平行于离子链方向的相邻两个衍射元件共用的微纳单元，能够使得衍射元件阵列排布更加紧密，进一步增加衍射元件的数量；沿平行于离子链方向的相邻两路激光都将会照射到共用的微纳单元上，但由于超表面结构的衍射元件，能够对激光的偏振进行调控，将两路激光设置为不同的偏振，即可使得同样照射到共用微纳单元的两路激光的出射方向不一致，从而照射至对应的离子上。
[0012]在一种可能的实现方式中，所述准直器阵列由多个准直透镜构成，沿垂直于所述离子链方向的多个准直透镜的焦距不同。一列激光在经过一列衍射元件后，衍射角有所不同，而衍射角较大，则会降低出射激光光斑的质量，因此，可以通过设置较大的准直透镜焦距，增强透镜的聚焦能力，提高出射激光光斑的质量，从而弥补激光经过衍射元件后衍射较大而导致光斑质量降低的问题。
[0013]在一种可能的实现方式中，所述准直器阵列包括光栅耦合器阵列，或者包括端面耦合器阵列。光栅耦合器或端面耦合器与光纤耦合，从而令光纤中传输的激光沿光栅耦合器或端面耦合器继续传播，有利于提高激光的耦合效率，减少激光能量损耗。
[0014]在一种可能的实现方式中，所述空间模斑变换器包括多个共焦的透镜；或者，所述空间模斑变换器为光波导阵列。至少两个共焦的透镜或透镜组，能够实现对激光进行“缩放”，使得出射后的激光阵列与衍射元件阵列相匹配。而光波导阵列可以引导光波在其中传播，每个光波导对应一个衍射元件，从而将激光阵列传输至对应的衍射元件阵列。
[0015]在一种可能的实现方式中，所述光波导为锥形光波导。锥形光波导有助于实现模斑尺寸的增大，减小输出发散角，从而实现与衍射光学元件的振幅匹配与相位匹配。
[0016]在一种可能的实现方式中，所述锥形光波导为弧形坡面结构。弧形坡面结构的锥形光波导，能够使模斑的转换更平滑，能够有效减少衍射效应的影响且减小锥形区域所需的长度。
[0017]在一种可能的实现方式中，所述装置还包括矩形波导阵列，用于将所述多路激光传输至所述空间模斑变换器。矩形光波导阵列可以设置在准直器阵列与空间模斑变换器之间，用于实现激光阵列的传输；若激光传输装置不包括准直器阵列，则矩形光波导阵列可以设置在光纤阵列与空间模斑变换器之间，用于实现激光阵列的传输。
[0018]在一种可能的实现方式中，所述装置位于真空腔中。将光学器件设置于真空腔中，能够有效避免光束的多级放大，减小光斑的大小，从而有助于减小离子阱系统的尺寸。
[0019]第二方面，本申请实施例提供一种离子阱系统，包括光纤阵列和如第一方面或第一方面任一项所述的激光传输装置，所述光纤阵列中的多个光纤与所述衍射元件阵列中的多个衍射元件一一对应。该离子系统对光纤数量、衍射元件数量的限制大幅降低，从而能够实现更多数量的独本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种激光传输装置，所述激光传输装置应用于离子阱系统中，其特征在于，所述激光传输装置包括：空间模斑变换器和衍射元件阵列，所述空间模斑变换器和衍射元件阵列在空间中位于不同的平面；所述空间模斑变换器用于将多路激光照射至所述衍射元件阵列；所述衍射元件阵列用于将所述多路激光分别独立照射至离子链中对应的离子，且所述多路激光中的部分激光，在经过所述衍射元件阵列中沿垂直于所述离子链方向的一列衍射元件后互不平行，经过所述衍射元件阵列后的每路激光对应离子链中的一个离子，所述离子链为包括多个离子的一维长链。2.根据权利要求1所述的激光传输装置，其特征在于，所述装置还包括准直器阵列，所述准直器阵列中的多个准直器与所述衍射元件阵列中的多个衍射元件一一对应；所述准直器阵列用于对光纤阵列传输的多路激光进行准直，并将准直后的多路激光照射至所述空间模斑变换器。3.根据权利要求1或2所述的激光传输装置，其特征在于，所述衍射元件是由介质材料加工制备出的多个微纳单元形成的超表面结构。4.根据权利要求3所述的激光传输装置，其特征在于，在所述衍射元件阵列中，沿平行于离子链方向的相邻两个衍射元件，存在共用的微纳单元。5.根据权利要求1
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4任一项所述的激光传输装置，其特征在于，所述准直器阵...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨超，胡铁，易飞，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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